Цирконий, стабилизированный иттрием

редактировать

Керамика с кубической кристаллической структурой, стабильной при комнатной температуре

Кристаллическая структура оксида циркония, стабилизированного иттрием (YSZ)

Иттрия -стабилизированный диоксид циркония (YSZ ) представляет собой керамику, в которой кубическая кристаллическая структура диоксида циркония сделана стабильной при комнатной температуре путем добавления оксид иттрия. Эти оксиды обычно называют «диоксидом циркония» (Zr O 2) и «иттрием» (Y 2O 3), отсюда и название.

Содержание

1 Стабилизация
2 Коэффициент теплового расширения
3 Ионная проводимость YSZ и ее разложение
4 Области применения
5 См. Также
6 Ссылки
7 Дополнительная литература

Стабилизация

Чистый диоксид циркония претерпевает фазовое превращение из моноклинного (стабильного при комнатной температуре) в тетрагональный (примерно при 1173 ° C), а затем в кубический (примерно при 2370 ° C), согласно схеме:

моноклинный (1173 ° C) $↔ {\ displaystyle \ leftrightarrow}$ $\ leftrightarrow$ тетрагональный (2370 ° C) $↔ {\ displaystyle \ leftrightarrow}$ $\ leftrightarrow$ кубическая (2690 ° C) $↔ {\ displaystyle \ leftrightarrow}$ $\ leftrightarrow$ расплав

Получение стабильных изделий из спеченной циркониевой керамики затруднено из-за большого изменения объема, сопровождающего переход от тетрагональной к моноклинной (около 5%). Стабилизация кубического полиморфа диоксида циркония в более широком диапазоне температур достигается за счет замещения части ионов Zr (ионный радиус 0,82 Å, слишком мал для идеальной решетки флюорита, характерной для кубического диоксида циркония) в кристаллическая решетка с немного более крупными ионами, например ионами Y (ионный радиус 0,96 Å). Полученные материалы из легированного диоксида циркония называются стабилизированными диоксидами циркония.

Материалы, относящиеся к YSZ, включают кальций -, оксид магния -, оксид церия - или диоксид циркония, стабилизированный оксидом алюминия, или частично стабилизированный диоксид циркония (PSZ). Известен также стабилизированный диоксидом циркония гафния.

Хотя известно, что 8-9 мол.% YSZ не полностью стабилизируется в чистой кубической фазе YSZ до температур выше 1000 ° C.

Обычно используемые сокращения в отношении диоксида циркония, стабилизированного оксидом иттрия являются:

Частично стабилизированный диоксид циркония ZrO 2:
- PSZ - Частично стабилизированный диоксид циркония
- TZP -Тетрагональный поликристалл диоксида циркония
- 4YSZ: с 4 мол.% Y 2O3частично стабилизированный ZrO 2, Цирконий, стабилизированный иттрием
Полностью стабилизированный цирконий ZrO 2:
- FSZ - Полностью стабилизированный диоксид циркония
- CSZ - Кубический стабилизированный диоксид циркония
- 8YSZ - с 8 мол.% Y 2O3Полностью стабилизированный ZrO 2
- 8YDZ - 8-9 мол.% Y 2O3ZrO 2 : из-за того, что материал не полностью стабилизирован и разлагается при высоких температурах нанесения, см. Параграф следующий параграф)

Тепловое расширение коэффициент

Коэффициенты теплового расширения зависят от модификации диоксида циркония следующим образом:

Моноклинный: 7 · 10 / K
Тетрагональный: 12 · 10 / K
Y2O3стабилизированный: 10,5 · 10 / K

Ионная проводимость YSZ и ее разложение

За счет добавления иттрия к чистому диоксиду циркония (например, полностью стабилизированному YSZ) ионы Y замещают Zr на катионной подрешетке. Таким образом, кислородные вакансии образуются из-за нейтральности заряда:

$Y 2 O 3 → 2 Y Zr ′ + 3 OO x + VO ∙ ∙ {\ displaystyle {\ text {Y}} _ {2} {\ text {O }} _ {3} \ rightarrow 2 {\ text {Y}} _ {\ text {Zr}} ^ {'} + 3 {\ text {O}} _ {\ text {O}} ^ {\ text { x}} + {\ text {V}} _ {\ text {O}} ^ {\ bullet \ bullet}}$ ${\text{Y}}_{2}{\text{O}}_{3}\rightarrow 2{\text{Y}}_{\text{Zr}}^{'}+3{\text{O}}_{\text{O}}^{\text{x}}+{\text{V}}_{\text{O}}^{\bullet \bullet }$ с $[VO ∙ ∙] = 1 2 [Y Zr ′] {\ displaystyle [{\ text {V}} _ {\ text {O}} ^ {\ bullet \ bullet}] = {\ frac {1} {2}} [{\ text {Y}} _ {\ text {Zr}} ^ {'}]}$ $[{\text{V}}_{\text{O}}^{\bullet \bullet }]={\frac {1}{2}}[{\text{Y}}_{\text{Zr}}^{'}]$ ,

означает, что два иона Y создают одну вакансию в анионной подрешетке. Это способствует умеренной проводимости оксида циркония, стабилизированного иттрием, для ионов O (и, следовательно, электропроводности) при повышенных и высоких температурах. Эта способность проводить ионы O делает диоксид циркония, стабилизированный оксидом иттрия, хорошо подходящим для применения в качестве твердого электролита в твердооксидных топливных элементах.

Для низких концентраций легирующей добавки ионная проводимость стабилизированного диоксида циркония увеличивается с увеличением содержания Y 2O3. Он имеет максимум около 8-9 мол.% Практически независимо от температуры (800-1200 ° C). К сожалению, 8-9 мол.% YSZ (8YSZ, 8YDZ) также оказались расположены в 2-фазном поле (c + t) фазовой диаграммы YSZ при этих температурах, что вызывает разложение материала на Y-обогащенные и обедненные. области в нм-масштабе и, как следствие, электрическая деградация во время работы. Микроструктурные и химические изменения в нанометровом масштабе сопровождаются резким снижением кислородно-ионной проводимости 8YSZ (разложение 8YSZ) примерно на 40% при 950 ° C в течение 2500 часов. Следы примесей, таких как Ni, растворенных в 8YSZ, например, из-за изготовления топливных элементов, могут иметь серьезное влияние на скорость разложения (ускорение собственного разложения 8YSZ на порядки величины), так что ухудшение проводимости даже становится проблематично при низких рабочих температурах в диапазоне 500-700 ° C.

В настоящее время в качестве твердых электролитов используются более сложные керамические материалы, такие как совместный легированный диоксид циркония (например, скандия и т. д.).

Области применения

Множественные безметалловые зубные коронки

YSZ имеет ряд применений:

из-за своей твердости и химической инертности (например, коронок ).
Как огнеупор (например, в реактивных двигателях).
в качестве термобарьерного покрытия в газовых турбинах
В качестве электрокерамики из-за его ионопроводящие свойства (например, для определения содержания кислорода в выхлопных газах, для измерения pH в высокотемпературной воде, в топливных элементах).
Используется при производстве твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ). YSZ используется в качестве твердого электролита, который обеспечивает проводимость ионов кислорода, блокируя при этом электронную проводимость. Для достижения достаточной ионной проводимости требуется ТОТЭ с электролитом YSZ должны работать при высоких температурах (800 ° C - 1000 ° C). Хотя то, что YSZ является преимуществом, сохраняет механическую прочность при этих температурах, необходимая высокая температура часто является недостатком SOFC. Высокая плотность YSZ также необходима для того, чтобы верхняя физически отделить газообразное топливо от кислорода, иначе электрохимическая система не будет вырабатывать электроэнергию.
По твердости и оптическим свойствам в монокристаллической форме (см. «кубический диоксид циркония »), это
В качестве материала для неметаллических лезвий ножей, производства компаний Boker и Kyocera.
В пастах на водной основе для самостоятельного изготовления керамика и цементы. Они содержат микроскопические измельченные волокна YSZ или частицы размером менее микрометра, часто со связующими из силиката калия и ацетата циркония (при умеренно кислом pH). Цементирование происходит при удалении воды. Полученный керамический материал подходит для применения при очень высоких температурах.
YSZ, легированный редкоземельными материалами, может действовать как термографический люминофор и люминесцентный материал.
Исторически использовался для светящихся стержней в лампах Нернста.
В качестве высокоточной юстировочной втулки для наконечников оптоволоконных соединителей.

См. также

Кубический цирконий - кубическая кристаллическая форма диоксида циркония
Спекание - Процесс формирования и связывания материала под действием тепла или давления
Сверхпроводящий провод - Провода с нулевым сопротивлением

Ссылки

Дополнительная литература

Green, DJ; Hannink, R.; Суэйн, М. (1989). Трансформационное упрочнение керамики. Бока-Ратон: CRC Press. ISBN 978-0-8493-6594-2.